JPS63154806A - 回転機械の翼端間隙調節装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えばタービン、軸流送風機、圧縮機等のよ
うに、ほぼ円筒形のケース内を流れる流体により、該ケ
ース内に設けた動翼を回転させ、又は動翼を回転させる
ことにより、ケース内の流体を流通させるようにした回
転機械において、回転時における動翼端とケース内面と
の間隙寸法を調節する装置に関する。

従来の技術 例えば、従来の航空機用ジェットエンジンのタービンに
おいては、作動時に高温となったタービンケースを空気
で強制冷却することにより、タービンケースの熱膨張等
の熱変形による直径の増加及びそれに伴う回転時の動翼
端とタービンケース内面との間隙寸法の増加を防止し、
もってもれ損失の増大による効率の低下を防止するよう
にしている。

この従来の装置は、冷却空気をタービンケースの外周に
円周方向に均一に吹きつけ、タービンケースを真円を保
ちつつ均一に収縮させるような構成としていた。

発明が解決しようとする問題点 上述のようなタービンケース等の静止側部品は、組立誤
差や経年的な変形等のため若干の偏心や真円度の低下が
生じるおそれがあるので、上述のような冷却空気をター
ビンケースの外周に円周方向に均一に吹きつけて、ター
ビンケースの全周を均一に収縮させる装置を用いた場合
、上記間隙寸法が不均一となるおそれがあり、例えば間
隙寸法が大きい部分では流体のもれ損失が大となったり
、また局部的に間隙寸法が著しく小となって動翼端がタ
ービンケース内面に接触するおそれが生じる等の問題点
がある。

このような接触を避けるためには、タービンケース側の
収縮の程度を控え目にしなければならず、そうするとこ
の装置の本来の機能が十分発揮できなくなるという問題
点もある。

これらの問題点は、上述のようなジェットエンジンのタ
ービンだけに限ったものではなく、例えば産業用ガスタ
ービン、蒸気タービン等のその他のタービンや、軸流送
風機又は圧縮機等にも共通する問題であり、本発明は、
これらの問題点を解決することを目的としている。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するため、ほぼ円筒形のケ
ース内を流れる流体により、該ケース内に設けた動翼を
回転させ、又は動翼を回転させることにより、ケース内
の流体を流通させるようにした回転機械において、前記
ケースの円周方向に適宜の間隔をもって配設され、かつ
それぞれが互いに独立して前記ケースに向かって冷媒を
供給する複数個の冷媒供給手段と、各冷媒供給手段と冷
媒源との間に設けられ、各冷媒供給手段よりケースに向
かって供給する冷媒量を調節する流量制御弁と、前記ケ
ースの円周方向に適宜の間隔をもって配設され、かつケ
ースめ各部における内面と回転時における前記動翼端と
の間隙寸法を測定する複数個の間隙測定センサと、該間
隙測定センサの測定値に基づいて、該測定値が互いに均
一でかつ予め定めた設定値に近ずくように前記各流量制
御弁の開閉を制御する制御装置とを具備したことを特徴
としている。

作用 本発明の回転機械の翼端間隙調節装置によると、動翼回
転時における動翼端とケースの各部の内面との間の間隙
寸法が間隙測定センサにより測定され、その測定値に基
づいて、各流量制御弁の開閉が制御される。

その制御の代表的な態様とそれによる作用とを示すと次
のとおりである。

（ａ）各測定値がほぼ均一で、かつ設定値より大の場合 この場合は、各流量制御弁の開度は、測定値と設定値と
の差の大きさに対応した互いに等しい値に制御される。

これによって、各冷媒供給手段より、等量の冷媒がケー
スに向かって供給され、ケースは従来の装置による場合
と同様に均一に冷却され、かつ真円を保ったまま、各部
が同一の収縮率で収縮−する。

このケースの収縮により、間隙寸法が減少すると、それ
に応じて、各流量制御弁の開度を漸次小さくするように
制御するのが好ましい。

（ｂ）各測定値が不均一である場合 この場合は、測定値が大である部分に対応する流量制御
弁の開度を大とし、その部分に供給される冷媒量を大と
するとともに、測定値が小である部分に対応する流量制
御弁の開度を小又は０とし、その部分に供給される冷媒
量を小又はＯとする。

これによって、大量に冷媒が供給された部分のケースの
収縮率は、他部の収縮率より大となり、間隙寸法は漸次
均一化される。

ケースが若干偏心している場合は、間隙寸法は、ケース
の一個所で最小となり、そこからケースの円周に沿う両
方向に向かって漸次大となり、間隙の最小部分と１８０
°の関係をなす部分において最大となる。したがって、
この場合には、例えばケースの最大間隙部分を中心とし
て、１８０°の範囲に冷媒を供給し、残りの１８０°の
範囲には冷媒をまったく供給しないようにしたり、又は
間隙寸法の各測定値と設定値との差の大きさに比例して
、ケースの各部に供給する冷媒量を段階的又は無段階的
に制御するのがよい。この後者の場合、最小間隙部分へ
の冷媒供給量はＯとしてもよい。

また、ケースが楕円形に変形しているような場合には、
ケースの互いに１８０°の関係をなす対向部分において
間隙寸法が最大となり、かつそれらと９００だけ離れた
部分において間隙寸法が最小となる。したがって、この
場合は、例えば互いに対向する２個所の最大間隙部分を
含むそれぞれ９０″ずつの範囲のみに冷媒を供給し、そ
れらと直交する残りの９０°ずつの範囲は冷媒を供給し
ないように制御するのがよい。

（ｃ）各測定値がほぼ均一で、かつ設定値に近い場合 このような場合には、すべての流量制御弁を閉じるよう
に制御するか、または、タービンの作動によるケースの
温度上昇分に対応する予め定めた最小量の冷媒が各冷媒
供給手段よりケースに供給されるように各流量制御弁を
制御するのがよい。

なお、設定値はある程度の幅をもたせて、各間隙測定セ
ンサの測定値がいずれもこの範囲内にあるときは、予め
定めた定常作動をするようにしておくのがよい。

以上の制御態様は代表的なものであって、実際の制御に
あたっては、制御装置をマイクロコンピュータ等の電子
制御装置をもって構成し、各間隙測定センサからの間隙
寸法に関する情報を基本データとして、さらに間隙寸法
についての設定値に関する情報及びその他の付加的な情
報等に基づいて各流量制御弁の最適開度を求め、それら
に基づいて各流量制御弁を自動制御するのがよい。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明する
。なお、この実施例は、本発明を航空機用ジェットエン
ジンのタービンに適用した場合のものである。

第１図において、１はほぼ円筒形のタービンケース（以
下単にケースという）で、その外周面の中間部には、鍔
状のリブ２が、また前後の端部にはフランジ３．４がそ
れぞれ一体的に形成されている。５はケース１の内面に
沿って設けられた内面部材で、円周方向に複数分割（こ
の実施例では８分割）された静翼５ａ用シユラウド５ｂ
と、動翼６用シユラウド５ｃとからなっている。これら
の内面部材５は、ケースｌの熱変形等に追随して変形す
る。

動翼６は、ケースｌの中央に回転自在に設けられたシャ
フト（その中心線りのみを図示する）に固着してあり、
この動翼６の先端と、実質的にケースｌの一部をなす内
面部材５の内面との間に間隙りが形成されている。動翼
６回転時におけるケース１の各部におけるこの間隙りを
常に均一化しようとするのが本発明の装置の目的とする
ところである。

そのため、この実施例においては、第１乃至第４図に示
すように、ケースｌの外周を取り巻くように、前後４組
でかつ各組みがそれぞれ８個ずつの冷媒供給手段である
マニホルド７を、ケースｌの円周方向に等間隔をなすよ
うにして支持板１６に取付けである。各支持板１６は、
中心線りと平行で、かつ円周方向に等間隔をなすように
して、各端部をケース１のフランジ３．４にそれぞれボ
ルト１７をもって止着しである。

各マニホルド７は、第３図に示すように、正面形が弧状
をなすとともに、第１図に示すように、断面形状が矩形
筒状をなし、それらの各端部はそれぞれ閉塞されている
。前方の２組の各マニホルド７には、ケース１における
中間のリブ２と前方のフランジ３とに向けて、冷媒であ
る冷却空気を噴出する多数の噴出孔８を穿設してあり、
また後方の２組の各マニホルド７には、ケースｌにおけ
る後方のフランジ４にむけて冷却空気を噴出する＼、上
記噴出孔８と同様の噴出孔（図示路）を穿設しである。

このリブ２及びフランジ３．４は、ケースｌの剛性を高
めるとともに、この部分を集中して冷却することにより
、ケースｌの熱収縮効率を高めることができるようにし
たものである。゛前後方向に整列する各マニホルド７は
、中心線Ｌと平行に配設されるとともに、途中に専用の
流量制御弁９を備えた冷媒供給管１０を介して、冷媒源
である圧縮空気タンク１１にそれぞれ接続しである。か
くして、前後に並ぶ各マニホルド７には、一つの冷媒供
給管１０から冷却空気を分岐して供給するようにしであ
る。

１２は、各マニホルド７のほぼ中央位置に対応するよう
にケースｌに設けた、マニホルド７の個数に対応する８
個の間隙測定センサ（以下単にセンサという）で、各セ
ンサ１２は、ケースｌ及び内面部材５を貫通して、内面
部材５の内面に開口し、ケースｌの各部における内面部
材５の内面と回転する動翼６の先端との間隙りの寸法を
測定する。

この間隙センサ１２は、第４図に示すように、レーザ発
生器１８より発射されたレーザビームをレンズ【９及び
プリズム２０を介して、回転する動翼６の先端面で反射
させ、その反射ビームを受光器２１で受光し、その受光
位置の変化を検知して、間隙りの寸法を測定し得るよう
にしたレーザビーム方式％式％ しかし、この間隙センサ１２は、その他の方式のものと
してもよい。この間隙センサ１２として用いられるもの
としては、例えば同軸ワイヤを徐々に送り出し、瞬間的
な短絡により、接触を検知し、そのときのワイヤの繰り
出し量から間隙りの寸法を測定するようにしたタッチプ
ローブ式のもの、電極をステップモータで徐々に送り出
し、動翼６先端との接触直前の放電により、間隙りの寸
法を測定するようにした放電式のもの、プローブの内部
伝導体とブレード間の静電容量がクリアランスに応じて
変化することを利用して、間隙りの寸法を測定するよう
にした静電容量式のもの、管中のノズル背圧がクリアラ
ンスに応じて変化するのを利用して、すなわち背圧式空
気マイクロの原理を利用して、間隙りの寸法を測定する
ようにした空気マイクロ式のもの等がある。

また、上述のレーザビーム方式のものにおいて、入射ビ
ームの糸路と反射ビームの糸路とを異ならせたり、それ
らの糸路にバージエアを供給するようにして実施しても
よい。

１３は、各センサ１２の測定値に基づいて、該測定値が
互いに均一でかつ予め定めた設定値に近づくように、各
流量制御弁９の開閉を制御する制御装置で、具体的には
、各センサ１２に電気的に接続されたプロセッサ１４と
、該プロセッサ１４及び各流量制御弁９にそれぞれ電気
的に接続された電子制御ユニット１５とからなっている
。

各センサ１２により測定されたケースｌの各部における
間隙りの寸法に関する情報は、プロセッサ１４を経由し
て、電子制御ユニット１５に送られ、ここで予め設定し
ておいた間隙りに関する設定値及びその他の付加的な情
報等に基づいて、各流量制御弁９の最適開度が決定され
、その決定された開度に基づいて、各流量制御弁９がそ
れぞれ独立して制御されるようにしである。

次に、この実施例の作用を、具体的な制御態様とともに
説明する。

第５図は、各センサ１２の測定値がほぼ均等で、かつ設
定値より大である場合の作動状態を示す。

この場合には、各流量制御弁９は互いに同一の開度だけ
開くように制御され、それによって、各マニホルド７か
らは、等量の冷却空気がケース１に向かって吹きつけら
れ、ケース１は、真円状態を保ったまま均一に収縮され
、ケースｌの各部の間隙りは、設定値に近い微小な、か
つ互いに等しい値に維持される。

第６図は、ケースｌ全体が冷却萌に動翼６の回転中心で
ある中心線りよりすでに右方に若干偏心している場合の
作動状態を示す。

この場合は、第５図の左方寄りにある各センサ１２の間
隙測定値は小で、同図の右方寄りのセンサ１２はど、間
隙測定値が大となる。

このような場合には、例えば右半部のすべてのマニホル
ド７から、冷却空気を等量、又は右方寄りのものほど供
給量を大として、ケース１に供給し、かつ左半部のすべ
てのマニホルド７からの冷却空気の供給量が０となるよ
うに各流量制御弁９の開度を制御する。

これにより、ケースｌは、右方寄りの部分はど収縮率が
大となり、左方寄りの部分はど収縮率が小となって、上
記偏心を可及的に減少し、各部の間隙寸法を均一化する
ことができる。

なお、各センサ１２の測定値から設定値を差し引いた値
に比例する量の冷却空気が、各センサ１２に対応するマ
ニホルド７からそれぞれケース１に向けて供給されるよ
うに、各流量制御弁９を制御すれば、前記偏心をより正
確に矯正することができるとともに、各部の間隙寸法を
より均一化することができる。

第７図は、ケースｌ全体が冷却前よりすでに上下に狭く
かつ左右に若干法がった横長楕円状に変形している場合
の作動状態を示す。

この場合は、ケース１の上下部にある各センサしたがっ
て、このような場合は、例えば、上下部の各２個のマニ
ホルド７からの冷却空気の供給を停止し、かつ左右両側
部の各２個のマニホルド７から、所要量の冷却空気がケ
ースｌに向けて供給されるように、各流量制御弁９を制
御する。

すると、ケースｌは、左右両側部の収縮率か大となり、
かつ上下部の収縮率が小となって、上記楕円状の変形を
可及的に真円に近づけ、各部の間隙寸法を均一化するこ
とができる。

なお、この場合にも、各センサ１２の測定値から設定値
を差し引いた値に比例する量の冷却空気が、各センサ１
２に対応するマニホルド７からそれぞれケースｌに向け
て供給されるように、各流量制御弁９を制御することに
よって、上記変形をより正確に矯正することができると
ともに、各部の間隙寸法をより均一化することができる
。

各センサ１２の測定値が設定値に近いか、又はある程度
の幅を持たせた設定値の範囲内にあるときは、各流量制
御弁９を全閉するか、又はタービンケース１に供給され
るように各流量制御弁を制御する。

これにより、作動の安定性を確保することができる。

以上の制御態様は代表的なものの一例であって、実際の
作動にあたっては、上記各側を適宜組合せて制御するの
が好ましい。

変形例 上述の実施例においては、８個のマニホルド７でケース
ｌの外周を環状に取り巻き、かつそのようなものを４組
設けたものとしたが、マニホルド７の数は、例えば４個
、６個又はその他の複数個を１組とし、組数を任意の数
としてもよい。原理的にはマニホルド７の数は多いほど
好ましいが、構造及び制御の複雑さを勘案すれば、６個
又は８個とするのが最適である。

また、冷媒供給手段として、このようなマニホルドによ
らず、ケースに向かって求心状に配設した多数の直管と
してもよい。

間隙測定センサの数は、必ずしもマニホルド等の冷媒供
給手段の数と一致させる必要はなく、またその配置は、
例えば２個のマニホルドの中間位置に設ける等、適宜変
形可能である。

発明の効果 以上から明らかなように、本発明によると、ケースに組
立時の誤差や経年的変形による若干の偏心や真円度の低
下又はその他の変形があったとしても、ケースに供給す
る冷媒の量を部分的に異なら仕ることにより、それらの
変形を矯正して真円度を向上させ、ケースの各部の翼端
間隙を均一化して、従来のものより微小な値に維持する
ことができ、もって効率の向上に寄与することができる
という利点がある。

図、第２図は、平面図１．第３図は、第２図のＡ−Ａ線
に沿う断面図、第４図は、間隙測定センサの一例を示す
概略断面図、第５図乃至第７図は、それぞれ異なる作動
状態を模式的に示す作動説明図である。

■・・タービンケース（ケース）、５・・内面部材、６
・・動翼、７・・マニホルド（冷媒供給手段）、９・・
流量制御弁、１１・・圧縮空気タンク（冷媒源）、１２
・・間隙測定センサ、１３・・制御装置、Ｄ・・間隙。

（ほか１名） 第３図 タンク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ほぼ円筒形のケース内を流れる流体により、該ケース内
   に設けた動翼を回転させ、又は動翼を回転させることに
   より、ケース内の流体を流通させるようにした回転機械
   において、前記ケースの円周方向に適宜の間隔をもって
   配設され、かつそれぞれが互いに独立して前記ケースに
   向かって冷媒を供給する複数個の冷媒供給手段と、各冷
   媒供給手段と冷媒源との間に設けられ、各冷媒供給手段
   よりケースに向かって供給する冷媒量を調節する流量制
   御弁と、前記ケースの円周方向に適宜の間隔をもって配
   設され、かつケースの各部における内面と回転時におけ
   る前記動翼端との間隙寸法を測定する複数個の間隙測定
   センサと、該間隙測定センサの測定値に基づいて、該測
   定値が互いに均一でかつ予め定めた設定値に近ずくよう
   に前記各流量制御弁の開閉を制御する制御装置とを具備
   したことを特徴とする回転機械の翼端間隙調節装置。